DE4341086A1 - Optischer Y-Koppler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen nicht reziproken asymmetrischen optischen Y-Koppler und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Ein optischer Y-Koppler ist ein optisches Bauteil, mit dessen Hilfe das in einem Lichtwellenleiter (LWL) geführte Licht gezielt in mindestens einen anderen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden kann.

Bisher wurden überwiegend optische Koppler beschrieben, die entweder aus Glasfasern oder aus polymeren optischen Fasern hergestellt worden sind [US 4 431 260; DE-A-39 40 642; DE-C-37 23 170].

Ein optischer Y-Koppler, auf der Basis von HCS-Fasern wurde in Proceedings of SPIE - The Int. Soc. for Optical Engineering, Vol. 839, Components for Fiber Optic Applications II (1987)/115 beschrieben. Eine HCS-Faser (Hard Clad Silica fiber) besteht aus einem Glaskern und einem optischen Mantel aus einem Polymeren, dessen Brechungsindex kleiner ist als der des Kernmaterials. Zur Herstellung des Y-Kopplers wird der Mantel (das optische Cladding) der HCS-Faser entfernt und der freigelegte Glasfaserkern mittels eines speziellen Epoxyharzes direkt mit einer anderen Glasfaser verbunden.

Aus US-Patent 4 142 877 ist die Herstellung von optischen Verzweigungselementen für ein optisches Netzwerk aus Glasfasern bekannt. Das eigentliche Verbindungsstück befindet sich auf einem Substrat und wird durch Photolithographie oder Verformen einer thermoplastischen Folie hergestellt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß ein flächiges Substrat vorhanden sein muß und eine zusätzliche optische Struktur (Verbindungsstück) erforderlich wird.

Aus L.A. Hornak, "Polymers for light wave and integrated optics", 1992, Seite 54, Fig. 12 ist ein "Clip-on"-Koppler bekannt, bei dem man zur besseren Einkopplung eine durchgehende polymere optische Faser an einer Stelle zu einem Kreis mit kleinem Krümmungsradius verformt, ein abgeschrägtes Ende der einmündenden Faser mit dem Kreis in Kontakt bringt und an der Berührungsstelle ein Gel aufbringt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß der durchgehende Lichtwellenleiter stark gebogen werden muß, damit es zu einer zufriedenstellenden Kopplung kommt.

Es bestand daher die Aufgabe, einen Y-Koppler zu schaffen, der frei ist von diesen Nachteilen, eine gute Richtwirkung aufweist und leicht herzustellen ist.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe.

Es wurde nun ein optischer Y-Koppler gefunden, der aus einem durchgehenden Lichtwellenleiter mit Polymermantel und einem seitlich einmündenden Lichtwellenleiter besteht. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Lichtwellenleiter an der Einmündungsstelle gerade verläuft, der seitlich einmündende Lichtwellenleiter unter einem Winkel α, der kleiner ist als der Grenzwinkel für die Totalreflexion in dem durchgehenden Lichtwellenleiter durch den Mantelbereich des durchgehenden Lichtwellenleiters bis an oder in den Kernbereich geführt wird und das Verhältnis Dicke des durchgehenden Lichtwellenleiters/Dicke des seitlich einmündenden Lichtwellenleiters mindestens 2 : 1 beträgt.

Die Kernmaterialien von durchgehendem Lichtwellenleiter und seitlich einmündendem Lichtwellenleiter können unterschiedlich sein. Mögliche Kernmaterialien sind Glas, Quarzglas und optische Polymere.

Der Kopplungsgrad wird verbessert, wenn an der Einmündungsstelle ein transparentes Gel vorhanden ist, dessen Brechungsindex zwischen den Brechungsindices der Kernmaterialien der beiden Lichtwellenleiter liegt.

Vorzugsweise besteht der Kern des einmündenden Lichtwellenleiters aus Quarz oder aus Glas. Der durchgehende Lichtwellenleiter hat vorzugsweise einen Durchmesser von 50 bis 6000 µm. Das Verhältnis des Durchmessers des durchgehenden Lichtwellenleiters zum Durchmesser des seitlich einmündenden Lichtwellenleiters beträgt mindestens 2 : 1, vorzugsweise größer 8 : 1. Je größer dieses Verhältnis ist, umso weniger wird die Lichtübertragung im durchgehenden Lichtwellenleiter durch die Einkoppelstelle gestört, weil Abschattungseffekte durch den einmündenden Lichtwellenleiter umso geringer sind.

In Fig. 1 sind mehrere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optischen Y- Kopplers gezeichnet. An den Stellen A, B und C durchdringt ein Lichtwellenleiter (2) mit kleinem Durchmesser den Mantel (3) eines Lichtwellenleiters (1) mit großem Durchmesser. Bei A berührt der einmündende Wellenleiter nur den Kern (4) von (1), bei B und C dringt die Stirnseite bis in den Kern von (1) vor. Falls der Wellenleiter (2) noch weiter in den Kernbereich (4) vorgeschoben wird, so ist dies für das Einkoppeln des Lichtes unschädlich; jedoch wird die Lichtleitung im durchgehenden Wellenleiter (1) beeinträchtigt. An den Stellen A, B, C kann ein transparentes Gel (nicht gezeigt) vorhanden sein, um die Lichteinkopplung zu verbessern. Der Mantel von (2) ist nicht gezeichnet.

Die Lichtwege in einem erfindungsgemäßen Y-Koppler werden anhand der Fig. 2 näher erläutert. An einen Lichtwellenleiter (1) mit relativ großem Durchmesser, dessen Kern (4) vorzugsweise aus einem optischem Polymer besteht, wird ein Lichtwellenleiter (2) kleineren Durchmessers seitlich angebracht. Der Einbringwinkel α ist kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion des Lichtwellenleiters (1). Der Lichtwellenleiter (2) mit dem kleinen Durchmesser besteht vorzugsweise aus Glas oder Quarzglas.

Der Vorteil des Kopplers gemäß Fig. 2 liegt darin, daß drei der vier möglichen Lichtwege nahezu verlustlos arbeiten. Lediglich der Lichtleistungsabfluß über Lichtweg 4 ist gering. Ein solcher Abfluß ist aber ohnehin unerwünscht. Durch Tor 3 kann über Lichtweg 3 eine große Lichtleistung in den durchgehenden Lichtwellenleiter (1) eingebracht werden. Dies geschieht ohne Störung der Lichtwege 1 und 2, da das lichtführende Volumen des Lichtwellenleiters (1) durch (2) nicht oder nur sehr wenig verringert wird. Messungen haben ergeben, daß im Falle einer sehr guten Einkopplung über Lichtweg 3 (Einkoppeldämpfung zwischen 1,0 und 1,2 dB) auf den Lichtwegen 1 und 2 Zusatzdämpfungen von nur 1,0 bis 1,2 dB auftreten. Abhängig von der Anordnung des seitlichen Lichtwellenleiters (2) kann der Koppler auf geringe Einkoppeldämpfung oder auf geringe Zusatzdämpfung optimiert werden.

Durch Vergrößerung oder Verkleinerung der Eindringtiefe des Lichtwellenleiters mit dem kleinen Durchmesser in den Kern des durchgehenden Lichtwellenleiters (1) kann die Einkoppeldämpfung variiert werden. Abhängig von der Einkoppeldämpfung stellen sich dann die Zusatzdämpfungen auf den Lichtwegen 1 und 2 ein. Der erste Grenzfall ist der oben beschriebene Fall A in Fig. 1: keine Zusatzdämpfungen auf den Lichtwegen 1 und 2, aber hohe Einkoppeldämpfung auf Lichtweg 3. Der andere Grenzfall ist der erwünschte, der zu den im vorangegangenen Abschnitt bezifferten Dämpfungswerten führt. Es ist durch die Anwendung in Geräten der optischen Zeitbereichsreflektometrie ein Minimum an Gesamtdämpfung auf den Lichtwegen 1, 2 und 3 gefordert. Dies wird dadurch erreicht, daß der Lichtwellenleiter kleineren Durchmessers (2) so tief in den Kern des durchgehenden Lichtwellenleiters (1) eingebracht wird, bis die gesamte lichtführende Frontquerschnittsfläche in den Kernbereich eintaucht (Stelle C in Fig. 1). Dazu muß das Kernmaterial von (1) leicht verformbar sein, vorzugsweise aus thermoplastischem, optischem Polymermaterial bestehen.

Der in Fig. 2 dargestellte Y-Koppler ist ein nicht reziproker asymmetrischer Koppler. Nicht reziprok bedeutet, daß der Lichtweg nicht umkehrbar ist. Asymmetrisch heißt, zur Herstellung des Kopplers werden Lichtwellenleiter unterschiedlichen Durchmessers verwendet.

Zur Heranführung des durchgehenden Lichtwellenleiters muß ein Teil des Mantels und gegebenenfalls ein Teil des Kernbereiches an der Einkoppelstelle des durchgehenden Lichtwellenleiters (1) entfernt werden. Hierzu bieten sich mehrere Verfahren an. Die Vertiefung im durchgehenden Lichtwellenleiter kann mechanisch, z. B. durch einen Mikrotomschnitt, oder thermisch-mechanisch durch eine heiße Metallschneide geschehen. Ebenso ist es möglich, Löcher unter einem Winkel α in den durchgehenden Lichtwellenleiter mechanisch zu bohren oder mittels Laserstrahlung zu schmelzen.

Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Herstellung optischer Y-Koppler. Das Verfahren zur Herstellung eines optischen Y-Kopplers ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen relativ dünnen Lichtwellenleiter, dessen Kern aus Quarz oder Glas besteht, in Bezug auf einen relativ dicken Lichtwellenleiter, dessen Kern aus einem Polymer besteht, so anordnet, daß sein freies Ende diesen unter einem Winkel α berührt, der kleiner ist, als der Grenzwinkel für Totalreflexion in dem relativ dicken Lichtwellenleiter, man in den relativ dünnen Lichtwellenleiter eine hohe Lichtleistung einkoppelt, die in den benachbarten relativ dicken Lichtwellenleiter übertritt und dort das polymere Mantelmaterial und zum Teil das polymere Kernmaterial zum Schmelzen bringt, man den relativ dünnen Lichtwellenleiter unter dem Winkel α so weit vorschiebt, daß seine Stirnseite im Inneren des relativ dicken Lichtwellenleiters zu liegen kommt und man dann abkühlt, wobei das Verhältnis Durchmesser des relativ dicken Lichtwellenleiters/Durchmesser des relativ dünnen Lichtwellenleiters mindestens 2 : 1 beträgt. Vorzugsweise schiebt man den durchgehenden Lichtwellenleiter so weit vor, daß seine Stirnseite eben im Inneren des relativ dicken Lichtwellenleiters zu liegen kommt.

Bei diesem Verfahren kann die Herstellung des Kopplers unter gleichzeitiger kontinuierlicher Kontrolle der Kopplereigenschaften (Wegedämpfungen) erfolgen. In den Kern des Lichtwellenleiters kleineren Durchmessers aus Quarz oder Glas kann eine hohe Lichtleistung eingekoppelt werden. Da das polymere Mantelmaterial und gegebenenfalls das polymere Kernmaterial des durchgehenden Lichtwellenleiters zum Schmelzen gebracht wird, ist es möglich, den Lichtwellenleiter kleineren Durchmessers soweit in den durchgehenden Lichtwellenleiter vorzuschieben, bis sich die gewünschten Wegedämpfungen eingestellt haben.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Y- Kopplers ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen relativ dünnen Lichtwellenleiter, dessen Kern aus Quarz oder Glas besteht, in Bezug auf einen relativ dicken Lichtwellenleiter so anordnet, daß sein freies Ende diesen unter einem Winkel α berührt, der kleiner ist als dessen Grenzwinkel für Totalreflexion, man eine hohe Lichtleistung in den relativ dünnen Lichtwellenleiter einkoppelt, die in den benachbarten relativ dicken Lichtwellenleiter übertritt und dort das polymere Mantelmaterial des relativ dicken Lichtwellenleiters zum Schmelzen bringt, man dann den relativ dünnen Lichtwellenleiter unter dem Winkel α so weit vorschiebt, daß seine Stirnseite die Oberfläche des Kerns des relativ dicken Lichtwellenleiters berührt und man dann abkühlt, wobei das Verhältnis Durchmesser des relativ dicken Lichtwellenleiters/Durchmesser des relativ dünnen Lichtwellenleiters mindestens 2 : 1 beträgt. Dieses Verfahren ist besonders dann interessant, wenn das Kernmaterial des durchgehenden Lichtwellenleiters aus Glas oder Quarz besteht. Man kann -falls erforderlich- zur Vergrößerung der Kontaktoberfläche und zur Verbesserung des optischen Übergangs vom dünneren Lichtwellenleiter in den Kern (4) des dickeren Lichtwellenleiters (1) den dünnen Lichtwellenleiter um den Winkel α abschrägen. Durch das Abschrägen wird die Reflexion im dünnen Lichtwellenleiter verringert, was das Anschmelzen des durchgehenden Lichtwellenleiters erleichtert.

Ein Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Kopplers ist die Ankopplung von Testfasern aus Kunststoff an ein Rückstreumeßgerät für Kunststofflichtwellenleiter, z. B. für die optische Zeitbereichsreflektometrie. Ein entsprechender Versuchsaufbau wurde angegeben durch H. Mohr auf der First Plastic Optical Fibres and Applications Conference in Paris, 22-23. Juni, 1992.

Bezogen auf Fig. 2 wird bei diesem Einsatz Tor 1 mit dem Empfänger, Tor 3 mit dem Sender verbunden. Die Testfaser liegt an Tor 2 an. Hiermit ist gewährleistet, daß die gesamte Lichtleistung des Senders in die Testfaser eingekoppelt wird, während die rückgestreute Lichtleistung nahezu vollständig dem Empfänger zugeführt wird.

Der Koppler läßt sich auch einsetzen im Bereich der bidirektionalen optischen Übertragungstechnik. In einer Hybridkomponente könnten Sender (an Tor 3) und Empfänger (an Tor 1) des Übertragungssystems problemlos an die Übertragungsfaser angeschlossen werden. Auch Multiplex-Übertragungsstrecken mit mehreren Sendern sind möglich.

Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert:

In eine Metallplatte (z. B. Aluminium) wird eine 60°-V-Nut der Tiefe 1,1 mm eingebracht. Im Winkel α = 10° zu dieser Nut wird eine zweite 60°-V-Nut eingebracht. Die Tiefe dieser Nut richtet sich nach einer Metallkanüle, die zur Führung des Quarzglaslichtwellenleiters dient und in die Nut eingeklebt wird (siehe hierzu Fig. 3).

Bevor ein Polymerlichtwellenleiterkabel (plastic optical fibre cord, z. B. ®Infolite der Firma Hoechst AG) in der 60°-V-Nut der Tiefe 1,1 mm fixiert wird (mechanisch oder geklebt), muß die Kunststoffschutzhülle (internationale Bezeichnung Jackett, übliche Materialien sind PP, PE, PVC) entfernt werden, oder es muß sich um einen reinen Polymerlichtwellenleiter ohne Kunststoffschutzhülle (plastic optical fibre) handeln. In diesen wird mittels eines Mikrotoms eine Kerbe geschnitten, die unter einem Winkel α = 10° verläuft und an der tiefsten Stelle eine Tiefe im Polymerlichtwellenleiter von 125 µm hat (siehe hierzu Fig. 4). Diese Tiefe entspricht exakt dem Durchmesser des Quarzglaslichtwellenleiters. Dieser wird, durch die Kanüle geführt, in die Kerbe eingeschoben bis er die Stirnfläche der Kerbe berührt und dort fixiert. Bei dem Quarzglaslichtwellenleiter handelt es sich z. B. um das Gradientenfaserpigtail einer Laserdiode oder einen sonstigen Ouarzglaslichtwellenleiter mit einem Durchmesser von 125 µm.

Mit einem nach dieser Art hergestellten Koppler werden die oben genannten Werte für Einkoppel- und Zusatzdämpfung erreicht.

Claims (10)

1. Optischer Y-Koppler, bestehend aus einem durchgehenden Lichtwellenleiter mit Polymermantel und einem seitlich einmündenden Lichtwellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Lichtwellenleiter an der Einmündungsstelle gerade verläuft, und der seitlich einmündende Lichtwellenleiter unter einem Winkel α, der kleiner ist als der Grenzwinkel für die Totalreflexion in dem durchgehenden Lichtwellenleiter, durch den Mantelbereich des durchgehenden Lichtwellenleiters bis an oder in den Kernbereich geführt wird und das Verhältnis Dicke des durchgehenden Lichtwellenleiters/Dicke des seitlich einmündenden Lichtwellenleiters mindestens 2 : 1 beträgt.

2. Y-Koppler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernmaterialien von durchgehendem Lichtwellenleiter und seitlich einmündendem Lichtwellenleiter unterschiedlich sind.

3. Y-Koppler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einmündungsstelle ein transparentes Gel vorhanden ist, dessen Brechungsindex zwischen den Brechungsindices der Kernmaterialien der beiden Lichtwellenleiter liegt.

4. Y-Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des einmündenden Lichtwellenleiters aus Quarz oder aus Glas besteht.

5. Y-Koppler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Lichtwellenleiter einen Durchmesser von 50 bis 6000 µm aufweist.

6. Y-Koppler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des durchgehenden Lichtwellenleiters zum Durchmesser des seitlich einmündenden Lichtwellenleiters mindestens 2 : 1 beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung eines optischen Y-Kopplers gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man einen relativ dünnen Lichtwellenleiter, dessen Kern aus Quarz oder Glas besteht, in Bezug auf einen relativ dicken Lichtwellenleiter, dessen Kern aus einem Polymer besteht, so anordnet, daß sein freies Ende diesen unter einem Winkel α berührt, der kleiner ist, als der Grenzwinkel für Totalreflexion in dem relativ dicken Lichtwellenleiter, man in den relativ dünnen Lichtwellenleiter eine hohe Lichtleistung einkoppelt, die in den benachbarten relativ dicken Lichtwellenleiter übertritt und dort das polymere Mantelmaterial und zum Teil das polymere Kernmaterial zum Schmelzen bringt, man den relativ dünnen Lichtwellenleiter unter dem Winkel α so weit vorschiebt, daß seine Stirnseite im Inneren des relativ dicken Lichtwellenleiters zu liegen kommt und man dann abkühlt, wobei das Verhältnis Durchmesser des relativ dicken Lichtwellenleiters/Durchmesser des relativ dünnen Lichtwellenleiters mindestens 2 : 1 beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den durchgehenden Lichtwellenleiter so weit vorschiebt, daß seine Stirnseite eben im Inneren des relativ dicken Lichtwellenleiters zu liegen kommt.

9. Verfahren zur Herstellung eines optischen Y-Kopplers gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man einen relativ dünnen Lichtwellenleiter, dessen Kern aus Quarz oder Glas besteht, in Bezug auf einen relativ dicken Lichtwellenleiter, dessen Mantel aus einem Polymer besteht, so anordnet, daß sein freies Ende diesen unter einem Winkel α berührt, der kleiner ist als dessen Grenzwinkel für Totalreflexion, man eine hohe Lichtleistung in den relativ dünnen Lichtwellenleiter einkoppelt, die in den benachbarten relativ dicken Lichtwellenleiter übertritt und dort das polymere Mantelmaterial des relativ dicken Lichtwellenleiters zum Schmelzen bringt, man dann den relativ dünnen Lichtwellenleiter unter dem Winkel α so weit vorschiebt, daß seine Stirnseite die Oberfläche des Kerns des relativ dicken Lichtwellenleiters berührt und man dann abkühlt, wobei das Verhältnis Durchmesser des relativ dicken Lichtwellenleiters/Durchmesser des relativ dünnen Lichtwellenleiters mindestens 2 : 1 beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial des durchgehenden Lichtwellenleiters aus Quarz oder Glas besteht.